خلق درب التبانة

بعد تسعة أشهر من زيادة عدد الحواسيب العملاقة القوية ، أنتج الباحثون مجرة ​​حلزونية محاكاة تتوافق مع طريقة درب التبانة. حتى الآن ، أدى عدم القدرة على محاكاة مثل هذه المجرة إلى التشكيك في النموذج الكوني السائد للكون ، حيث تخلق المادة المظلمة الباردة "آبار الجاذبية" التي تجمع المادة التي تشكل النجوم والكواكب.

قام باحثون من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) ومعهد الفيزياء النظرية في زيورخ بالإبلاغ عن نتائجهم في ورقة بعنوان "Eris" ، تم قبولها للنشر في مجلة الفيزياء الفلكية . أعلن UCSC هذا في 29 أغسطس 2011.

محاكاة إريس تظهر النجوم في المجرة كما يراها المراقبون. الألوان الزرقاء هي مناطق لتكوين النجوم حديثًا ، بينما ترتبط المناطق الأكثر احمرارًا بالنجوم الأقدم. عادة ما تكون الأذرع الحلزونية ذات شكل نجمة ، والانتفاخ المركزي "أحمر وموتي" بشكل أساسي. صورة الائتمان: ج. جيديس وباد ماداو

على مدار العشرين عامًا الماضية ، فشلت الجهود المبذولة لإعادة إنتاج مجرة ​​مثل مجرتنا في محاكاة الكمبيوتر في توليد مجرات ضخمة على شكل قرص تشبه درب التبانة ، بأذرعها الحلزونية في قرص مسطح كبير حول انتفاخ مركزي صغير يتكون من النجوم. كانت المحاكاة الواقعية لتشكيل النجوم هي مفتاح نجاح أيريس. وأوضح المؤلف المشارك بييرو ماداو ، UCSC:

يحدث تكوين النجوم في المجرات الحقيقية بطريقة متفاوتة ، وتكرار ذلك من خلال محاكاة كونية أمر صعب. هذه هي المحاكاة الأولى القادرة على حل السحب العالية الكثافة من الغاز حيث يحدث تكوين النجوم ، والنتيجة هي نوع من مجرة ​​درب التبانة مع انتفاخ صغير وقرص كبير. يظهر أن سيناريو المادة المظلمة الباردة ، حيث توفر المادة المظلمة السقالات لتشكيل المجرة ، قادر على توليد مجرات واقعية يسيطر عليها القرص.

قال خافييرا غيديس ، أول مؤلف للصحيفة:

فشلت الجهود السابقة لتشكيل مجرة ​​قرص ضخمة مثل مجرة ​​درب التبانة ، لأن المجرات المحاكاة انتهى بها الانتفاخات المركزية الضخمة مقارنة بحجم القرص.

مجرة Eris عبارة عن مجرة ​​حلزونية ضخمة بها "شريط" مركزي من النجوم الساطعة وغيرها من الخصائص الهيكلية التي تتوافق مع المجرات مثل درب التبانة. ملف تعريف السطوع ، ونسبة الانتفاخ إلى القرص ، والمحتوى النجمي ، والميزات الرئيسية الأخرى كلها ضمن نطاق عمليات مراقبة درب التبانة وغيرها من المجرات من نفس النوع.

مقارنة توضح محاكاة إريس (أعلى) ودرب التبانة (أسفل). صورة الائتمان: S. Callegari ، J. Guedes ، 2MASS التعاون

قال غيديس:

قمنا بتشريح المجرة بعدة طرق مختلفة لتأكيد ملاءمتها للملاحظات.

وفقًا لماداو ، تطلب المشروع استثمارًا كبيرًا في وقت الحواسيب العملاقة ، بما في ذلك 1.4 مليون ساعة من المعالج على حاسوب Pleiades الفائق الحديث في ناسا ، بالإضافة إلى عمليات محاكاة دعم إضافية على الحواسب الفائقة في UCSC والمركز الوطني السويسري للحوسبة الفائقة. قال ماداو:

أخذنا بعض المخاطرة ، حيث أمضينا وقتًا هائلاً من الكمبيوترات العملاقة لمحاكاة مجرة ​​واحدة بدقة عالية للغاية.

بانوراما 360 درجة من مجرة ​​درب التبانة. صورة الائتمان: ESO / S. Brunier

انقر هنا للحصول على عرض موسع.

تدعم النتائج نظرية المادة المظلمة الباردة السائدة ، والتي يكون فيها تطور البنية في الكون مدفوعًا بالتفاعلات الجاذبية للمادة المظلمة ( مظلمة لأنه لا يمكن رؤيتها ، والبرد لأن الجزيئات تتحرك ببطء). عملت الجاذبية في البداية على تقلبات طفيفة في الكثافة كانت موجودة بعد فترة وجيزة من الانفجار الكبير ، حيث جمعت المجموعات الأولى من المادة المظلمة ، والتي نمت لتصبح كتل أكبر وأكبر.

سقطت المادة العادية التي تشكل النجوم والكواكب (أقل من 20 في المائة من المادة في الكون) في "آبار الجاذبية" التي أوجدتها كتل كبيرة من المادة المظلمة ، مما أدى إلى ظهور مجرات في مراكز هالات المادة المظلمة.

لإجراء محاكاة إريس ، بدأ الباحثون بمحاكاة منخفضة الدقة للمادة المظلمة تتطور لتشكل الهالات التي تستضيف مجرات اليوم. ثم اختاروا هالة ذات تاريخ مناسب للكتلة والاندماج لاستضافة مجرة ​​مثل درب التبانة ، و "إعادة لف الشريط" إلى الظروف الأولية. عند التكبير في المنطقة الصغيرة التي تطورت إلى الهالة المختارة ، أضافوا جزيئات الغاز وزادت بدرجة كبيرة من دقة المحاكاة. دقة عالية تعني تتبع تفاعلات عدد كبير من الجزيئات.

وأضاف غيديس:

تتبع المحاكاة تفاعلات أكثر من 60 مليون جسيم من المادة المظلمة والغاز. يذهب الكثير من الفيزياء إلى الكود - الجاذبية والديناميكا المائية ، وتكوين النجوم وانفجارات المستعرات الأعظمية - وهذا هو أعلى محاكاة كونية دقيقة تم القيام بها بهذه الطريقة.

أتاحت الدقة العالية وصفة أكثر دقة لتشكيل النجوم. في محاكاة منخفضة الدقة ، حيث يتم حساب متوسط ​​كثافة الغاز على مساحات كبيرة نسبيًا ، يجب أن تكون كثافة العتبة لتشكيل النجوم منخفضة للغاية بحيث تميل النجوم إلى تكوين غاز منتشر في جميع أنحاء المجرة. في محاكاة Eris ، سمحت عتبة تكوين النجوم بتكوين النجوم فقط في المناطق عالية الكثافة ، مما أدى إلى توزيع أكثر واقعية للنجوم.

من النتائج المهمة أنه عندما تنفجر النجوم مثل المستعرات العظمى داخل هذه المناطق ذات الكثافة العالية ، فإن الطاقة التي يتم ضخها في الوسط البينجمي تهب الكثير من الغاز خارج المجرة. قال ماداو:

تنتج المستعرات الأعظمية تدفقات من الغاز من الجزء الداخلي من المجرة حيث ستشكل المزيد من النجوم وتنتج انتفاخًا كبيرًا. إن تكوين النجوم العنقودية وحقن الطاقة من المستعرات الأعظمية يصنعان الفرق في هذه المحاكاة.

خلاصة القول: ابتكر الباحثون في جامعة كاليفورنيا وسانتا كروز ومعهد الفيزياء النظرية في زيوريخ ، لأول مرة ، أعلى محاكاة دقة تم إجراؤها على الإطلاق لمجرة مثل درب التبانة ، يوفرون الدعم لنظرية المادة المظلمة الباردة من تشكيل المجرة. يتم قبول ورقتهم التي تحمل عنوان "Eris" للنشر في مجلة الفيزياء الفلكية . أعلن UCSC هذا في 29 أغسطس 2011.

اقرأ المزيد في جامعة كاليفورنيا سانتا كروز

كيف تحافظ المجرات الحلزونية على شكلها؟

باري باريش يصطاد للمادة المظلمة في عالمنا